CN114069245A

CN114069245A - 一种多波段透明隐身体

Info

Publication number: CN114069245A
Application number: CN202111421188.3A
Authority: CN
Inventors: 李旺昌; 张博华; 车声雷; 应耀; 余靓; 乔梁; 李涓; 郑精武
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2021-09-14
Filing date: 2021-11-26
Publication date: 2022-02-18

Abstract

本发明公开了一种多波段透明隐身体，其由基本单元结构周期排列组成，所述基本单元结构自上而下包括第一介质层、上层图案层、第二介质层、下层反射层；所述上层图案层为呈特定图案的谐振结构，为中心对称图形，其基础方案为包括最外侧的方形封闭环及位于所述方形封闭环内的弓形结构组；此外，还可以在弓形结构组内侧设有对称结构。本发明结构较为简单、制备工艺成熟；不仅能保持较高的透光率，还能在C、X、Ku、Ka四个波段产生优异的吸波性能，同时所述吸波性能具有良好的入射角稳定性。

Description

一种多波段透明隐身体

技术领域

本发明涉及新型人工电磁超材料和电磁波领域，具体涉及一种多波段透明隐身体。

背景技术

超材料是一种新型人工电磁材料，由亚波长单元通过特殊的周期或非周期性排列组成，从而具备天然材料所没有的特殊电磁特性，如负的磁导率、负的介电常数等。其电磁特性主要取决于人工结构的设计，从而来实现对电磁波的有效调控。

传统的超材料吸波体通常采用金属-介质-金属的结构，通过各种损耗机制将电磁波转换成内能或热能，从而达到电磁波的有效吸收。传统超材料吸波体通常具有加工难度大、对可见光不透明的缺陷，无法应用到某些特殊场景；另外，传统超材料还存在着有效吸收频带较窄、对斜入射电磁波的吸收率差的问题。在我们的前期研究中，发现基于某种特定图案的基本单元结构周期排列可以获得性能优异的隐身体，该特定图案是以四个弓形单元构成的弓形结构组或再结合上内部对称结构所形成的中心对称图形，其中每个弓形单元包括最内侧枝节、两个最外侧枝节及两个中间枝节，最内侧枝节与最外侧枝节平行、与中间枝节垂直，最内侧枝节的两端分别通过一个中间枝节与一个最外侧枝节相连，四个弓形单元围成一个方形，且各弓形单元彼此独立互不相连，即整体形成一个未封闭的弓形环；该隐身体在保持高透过率的同时，可以实现在一定宽频范围内对电磁波的有效吸收，同时其吸波性能具有良好的角度稳定性。其有效解决了前述问题，相对于传统超材料具有极大的进步，然而该隐身体仍无法实现在高于18GHz频率范围内的吸波，随着我们研究的深入，发现其吸波频带还可以进一步拓宽，达到更为优异的效果。

发明内容

为满足超材料在某些透明场景的应用、以及解决传统超材料吸波体吸收带宽窄、斜入射吸波效果差的问题，本发明提供了一种多波段透明隐身体。

本发明采用如下技术方案：一种多波段透明隐身体，由基本单元结构周期排列而成，基本单元结构自上而下包括第一介质层、上层图案层、第二介质层、下层反射层；所述上层图案层为呈特定图案的谐振结构，所述隐身体能在C、X、Ku、Ka四个波段均吸波。优选的，所述呈特定图案的谐振结构，整个图案为中心对称图形；包括最外侧的方形封闭环及位于所述方形封闭环内的弓形结构组；所述弓形结构组包括四个弓形单元，每个弓形单元包括最内侧枝节、两个最外侧枝节及两个中间枝节，最内侧枝节与最外侧枝节平行、与中间枝节垂直，最内侧枝节的两端分别通过一个中间枝节与一个最外侧枝节相连，四个弓形单元围成一个方形，且各弓形单元彼此独立互不相连。优选的，其制备是：首先将所述上层图案层镀于第一介质层下方，将所述下层反射层镀于第二介质层下方，然后将这两部分结构通过胶膜粘结而成，形成所述隐身体。

进一步地，所述第一介质层、第二介质层均为透明介质材料，材质为玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯中的一种或几种；所述上层图案层、下层反射层均为透明导电材料，材质为氧化锌铝、氧化铟锡、纳米银线、掺氟二氧化锡、石墨烯膜中的一种或几种。

进一步地，所述的特定图案还包括位于整个图案中心处的对称结构，该对称结构为任意的中心对称图形。也就是说所述的对称结构可以没有，也可以是本领域内的技术人员能想到的其他任意一种中心对称图形，如X形、圆环、方环、十字形、米字形、正六边形、正八边形等。

进一步地，令第一介质层的厚度为h1、上层图案层的厚度为h2、第二介质层的厚度为h3、下层反射层的厚度为h4；令基本单元结构的周期为P,方形封闭环的宽度为Y，其外边缘与基本单元结构边缘的间距为A；令弓形单元的宽度为B，最外侧枝条长度为N，中间枝条的长度为M，最内侧枝条的长度为K。则各结构参数取值如下：h1＝1～10mm，h2＝20～150nm，h3＝1～7mm，h4＝50～300nm，Y＝0.2～1.5mm,A＝0.1～4mm,B＝0.2～1.5mm,N＝1.5～7mm,M＝1.0～8mm,K＝1～7mm。

有益效果：本发明提供了一种多波段透明隐身体，与传统的超材料吸波器相比，该隐身体谐振结构较为简单，制备工艺成熟。本发明中第一介质层可用来保护隐身体，提升其环境适应性。本发明具备电磁波宽带吸收特性，电磁波垂直入射时，能够在C、X、Ku、Ka四个波段产生有效吸收，使得此四个频段内的反射率<-10dB；同时由于上层图案层结构是中心对称图形，其电磁波吸收具有良好的入射角稳定性。

附图说明

图1为多频段透明隐身体单个单元结构的侧视图及尺寸标注。

图2为多频段透明隐身体单个单元结构中图案层的正视图。

图3为实施例1在电磁波垂直入射时，多频段透明隐身体的正入射反射率。

图4为实施例1在电磁波斜入射时，多频段透明隐身体对TE波的吸收率。

图5为实施例1在电磁波斜入射时，多频段透明隐身体对TM波的吸收率。

图6为实施例2在电磁波垂直入射时，多频段透明隐身体的正入射反射率。

图7为实施例2在电磁波斜入射时，多频段透明隐身体对TE波的吸收率。

图8为实施例2在电磁波斜入射时，多频段透明隐身体对TM波的吸收率。

具体实施方式

以下结合附图以及具体实施例，对本发明进行进一步的解释和说明；显而易见地，以下所述具体实施例只是本发明中的一部分实施例，本领域的技术人员在不付出创新性劳动的前提下，对本发明中的内容做出改动达到类似的有益效果，从而获得的其他实施例，都属于本发明的保护范围之内。

实施例1：一种多波段透明隐身体如图1所示，其单元结构自上而下分别为第一介质层1、上层图案层2、第二介质层3、下层反射层4；所述上层图案层结构包括最外侧的方环、中间的弓形结构，所述上层图案层为中心对称图形。如图2所示最内侧对称结构可以没有，也可以是本领域内的技术人员能想到的其他对称图形，如X形、圆环、方环、十字形、米字形、正六边形、正八边形等。

所述第一介质层1为玻璃、第二介质层3为聚甲基丙烯酸甲酯、上层图案层2与下层反射层4为纳米银线膜。所述上层图案层通过旋涂工艺涂覆在第一介质层上，再由刻蚀而成；所述下层反射层通过旋涂工艺涂覆在第二介质层3上。所述第一介质层1与第二介质层3之间通过胶膜粘结而成。

如图1、图2所示，令第一介质层1的厚度为h1、上层图案层2的厚度为h2、第二介质层3的厚度为h3、下层反射层4的厚度为h4；最外侧方环的宽度为Y，最外侧方环的外边缘与单元边缘的间距为A；令中间未封闭弓形结构的宽度为B，最外侧枝条长度为N，中间枝条的长度为M，最内侧枝条的长度为K。各结构参数取值如下：h1＝7.0mm，h2＝50nm，h3＝5.5mm，h4＝300nm，Y＝1.5mm，A＝2mm，B＝1.2mm，N＝4mm，M＝7mm，K＝4mm。

如图3所示，多频段透明隐身体对电磁波具有良好的宽带吸收性能；在电磁波垂直入射时，该透明隐身体能在4-18GHz、26.5-40GHz频率范围内产生优异的吸波性能。图4是在电磁波斜入射时，该透明隐身体对TE波的吸收性能；图5是在电磁波斜入射时，该透明隐身体对TM波的吸收性能；由图4、图5可知，在4-18GHz、26.5-40GHz频率范围内，在电磁波不同角度入射时，该双层透明隐身体在45°的入射角范围内对TE波、TM波的吸收率均能达到80％，表明该双层透明隐身体具有良好的入射角稳定性。

实施例2：一种多波段透明隐身体，其单元结构自上而下分别为第一介质层1、上层图案层2、第二介质层3、下层反射层4；所述上层图案层结构包括最外侧的方环、中间的弓形结构，以及最内侧的对称X形组成的谐振结构。最内侧对称结也可以是本领域内的技术人员能想到的其他对称图形，如X形、圆环、方环、十字形、米字形、正六边形、正八边形等。

所述第一介质层1为聚甲基丙烯酸甲酯；第二介质层3为聚碳酸酯；上层图案层2为氧化铟锡，通过离子镀膜镀在第一介质层1上，再由化学刻蚀得到；下层反射层4为石墨烯膜，通过离子镀膜镀在第二介质层3上。所述第一介质层1与第二介质层3之间通过胶膜粘结而成。

令第一介质层1的厚度为h1、上层图案层2的厚度为h2、第二介质层3的厚度为h3、下层反射层4的厚度为h4；最外侧方环的宽度为Y，最外侧方环的外边缘与单元边缘的间距为A；令中间未封闭弓形结构的宽度为B，最外侧枝条长度为N，中间枝条的长度为M，最内侧枝条的长度为K。各结构参数取值如下：h1＝1.0mm，h2＝20nm，h3＝7mm，h4＝50nm，Y＝0.2mm，A＝4mm，B＝1.5mm，N＝7mm，M＝1mm，K＝7mm。

多频段透明隐身体对电磁波具有良好的宽带吸收性能；在电磁波垂直入射时，该透明隐身体能在4-18GHz、26.5-40GHz频率范围内产生优异的吸波性能。图7是在电磁波斜入射时，该透明隐身体对TE波的吸收性能；图8是在电磁波斜入射时，该透明隐身体对TM波的吸收性能；在4-18GHz、26.5-40GHz频率范围内，在电磁波不同角度入射时，该双层透明隐身体在45°的入射角范围内对TE波、TM波的吸收率均能达到80％，表明该透明隐身体具有良好的入射角稳定性。

实施例3：一种多波段透明隐身体，其单元结构自上而下分别为第一介质层1、上层图案层2、第二介质层3、下层反射层4；所述上层图案层结构包括最外侧的方环、中间的弓形结构，以及最内侧的对称正方形组成的谐振结构。

所述第一介质层1为聚碳酸酯；第二介质层3为聚碳酸酯；上层图案层2为掺氟二氧化锡，通过磁控溅射镀在第一介质层1上，再由化学刻蚀得到；下层反射层4为氧化铟锡，通过磁控溅射在第二介质层3上。所述第一介质层1与第二介质层3之间通过胶膜粘结而成。

令第一介质层1的厚度为h1、上层图案层2的厚度为h2、第二介质层3的厚度为h3、下层反射层4的厚度为h4；最外侧方环的宽度为Y，最外侧方环的外边缘与单元边缘的间距为A；令中间未封闭弓形结构的宽度为B，最外侧枝条长度为N，中间枝条的长度为M，最内侧枝条的长度为K。各结构参数取值如下：h1＝6.0mm，h2＝100nm，h3＝3mm，h4＝150nm，Y＝0.8mm，A＝0.1mm，B＝0.2mm，N＝2mm，M＝7mm，K＝2mm。

多频段透明隐身体对电磁波具有良好的宽带吸收性能；在电磁波垂直入射时，该透明隐身体能在4-18GHz、26.5-40GHz频率范围内产生优异的吸波性能。

实施例4：一种多波段透明隐身体，其单元结构自上而下分别为第一介质层1、上层图案层2、第二介质层3、下层反射层4；所述上层图案层结构包括最外侧的方环、中间的弓形结构，以及最内侧的对称米子形组成的谐振结构。

所述第一介质层1为聚甲基丙烯酸甲酯；第二介质层3为玻璃；上层图案层2为氧化锌铝，通过磁控溅射镀在第一介质层1上，再由刻蚀得到；下层反射层4为氧化铟锡，通过磁控溅射在第二介质层3上。所述第一介质层1与第二介质层3之间通过胶膜粘结而成。

令第一介质层1的厚度为h1、上层图案层2的厚度为h2、第二介质层3的厚度为h3、下层反射层4的厚度为h4；最外侧方环的宽度为Y，最外侧方环的外边缘与单元边缘的间距为A；令中间未封闭弓形结构的宽度为B，最外侧枝条长度为N，中间枝条的长度为M，最内侧枝条的长度为K。各结构参数取值如下：h1＝4mm，h2＝110nm，h3＝3mm，h4＝180nm，Y＝1.2mm，A＝2.4mm，B＝0.5mm，N＝1.5mm，M＝6mm，K＝2mm。

以上描述了本发明的主要特征、优点、原理以及具体实施例。本行业的技术人员应该了解到，在不脱离本发明的原理和精神范围的情况下，本发明可以做出各种改进或变形，例如改变图案层中最内侧的对称结构为其他对称图形、改变各结构参数的取值、改变各结构中的介质层的材料等，从而获得与本发明中类似或不同的有益效果，这些改进或变形都属于本发明要求的保护范围之内。本发明要求保护范围由权利要求及其等同界定。

Claims

1.一种多波段透明隐身体，其特征在于，所述隐身体由基本单元结构周期排列而成，所述基本单元结构自上而下包括第一介质层、上层图案层、第二介质层、下层反射层；所述上层图案层为呈特定图案的谐振结构，所述隐身体能在C、X、Ku、Ka四个波段均吸波。

2.根据权利要求1所述的多波段透明隐身体，其特征在于，所述呈特定图案的谐振结构，整个图案为中心对称图形；包括最外侧的方形封闭环及位于所述方形封闭环内的弓形结构组；所述弓形结构组包括四个弓形单元，每个弓形单元包括最内侧枝节、两个最外侧枝节及两个中间枝节，最内侧枝节与最外侧枝节平行、与中间枝节垂直，最内侧枝节的两端分别通过一个中间枝节与一个最外侧枝节相连，四个弓形单元围成一个方形，且各弓形单元彼此独立互不相连。

3.根据权利要求2所述的多波段透明隐身体，其特征在于，所述的特定图案还包括位于整个图案中心处的对称结构，该对称结构为任意的中心对称图形。

4.根据权利要求2所述的多波段透明隐身体，其特征在于，令第一介质层的厚度为h1、上层图案层的厚度为h2、第二介质层的厚度为h3、下层反射层的厚度为h4；令基本单元结构中方形封闭环的宽度为Y，其外边缘与基本单元结构边缘的间距为A；令弓形单元的宽度为B，最外侧枝条长度为N，中间枝条的长度为M，最内侧枝条的长度为K，则各参数取值如下：h1＝1～10mm，h2＝20～150nm，h3＝1～7mm，h4＝50～300nm，Y＝0.2～1.5mm,A＝0.1～4mm,B＝0.2～1.5mm,N＝1.5～7mm,M＝1.0～8mm,K＝1～7mm。

5.根据权利要求2所述的多波段透明隐身体，其特征在于，其制备是：首先将所述上层图案层镀于第一介质层下方，将所述下层反射层镀于第二介质层下方，然后将这两部分结构通过胶膜粘结而成，形成所述隐身体。

6.根据权利要求1-5任一项所述的多波段透明隐身体，其特征在于，所述第一介质层、第二介质层均为透明介质材料，材质为玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯中的一种或几种；所述上层图案层、下层反射层均为透明导电材料，材质为氧化锌铝、氧化铟锡、纳米银线、掺氟二氧化锡、石墨烯膜中的一种或几种。